软件技术操作系统

软件技术操作系统1第1页，课件共53页，创作于2023年2月3.3存储管理讨论3个问题：为什么要对存储器进行管理？存储管理的内容？怎样实现存储管理？

2第2页，课件共53页，创作于2023年2月1.为什么要对存储器进行管理？存储管理的目的：尽量方便用户，提高主存空间利用率

理由1：存储器分为主存和辅存（二级存储），所有程序必须调入主存才能运行，而主存空间有限，所以必须对主存进行管理。理由2：主存的空间分为系统区和用户区，系统区用来存放操作系统等信息，用户区存放用户的程序和数据，存储管理是指对用户区进行管理。应当尽量方便用户，提高主存空间利用率。3第3页，课件共53页，创作于2023年2月主要有5项内容：主存空间的分配和去配地址转换（或地址映射）主存空间的扩充存储的保护（或信息保护）主存空间的共享2.存储管理的内容？作业进入内存或进程动态申请主存空间时，OS该将哪块空闲区分配出去？作业或进程执行完毕，OS又如何收回这些区域？逻辑地址如何转换为物理地址？不转换就不能正确运行程序。用户程序太大，内存装不下怎么办？——虚拟存储技术，逻辑地址顺序排，物理地址分段转。内存中各作业或进程应当在各自规定区域内操作，要保证互不干扰。多个作业用到公共程序或数据，可放入某空间让大家都能调用，共享主存空间。（与第4项有矛盾）4第4页，课件共53页，创作于2023年2月（1）什么是地址变换（或地址映射、地址重定位）？答：在程序进入内存的过程中，逻辑地址转为物理地址的过程称为程序重定位（可分为静态重定位和动态重定位）。

（2）为什么要引入浮动的逻辑地址？答： 引入浮动的逻辑地址是为了支持多道程序和方便用户。因为程序员在编程时无法得知程序会放入内存的哪些地址，也就是说，无法确定程序的真实地址，只能用符号来代替地址。（3）外存中的逻辑地址怎样转换为内存中的物理地址？答： 先用编译程序把地址符号变为逻辑地址（把目标地址的首址作为0的相对地址），再用硬件地址变换机构将逻辑地址转为物理地址。

讨论几个重要概念：

5第5页，课件共53页，创作于2023年2月静态重定位-——在程序装入内存时由连接装入程序完成转换，程序运行过程中不再改变（移动）。因为程序必须全部预先调入内存，因此此方式无法实现虚拟存储。动态重定位——在指令执行过程中由硬件地址变换机构对地址进行定位，程序可以在内、外存中调进调出，也可以在主存内部上下移动。

（4）什么是静态重定位和动态重定位？6第6页，课件共53页，创作于2023年2月3.怎样实现存储管理？管理方法主要有3种：分区、分页、分段（1）分区存储管理特点：给每个作业划分一个区（这是多道情况，DOS单用户单任务不必分区），全部内存（除驻留的OS外）连续分配给用户即可。又分为“固定分区”和“可变分区”。 固定式分区——把内存先分成大小不等的（空）区，再把作业一一往里套送；

实现法：建立“分区分配表”，设“已分配/未分配”状态标志技巧：将空闲区单独列表再形成链表，便于系统快速查找与作业尺寸匹配的空间。有最佳适应法和首次适应法两种匹配策略。7第7页，课件共53页，创作于2023年2月可变式分区——按装入的第一批作业大小来分区，保证初始无碎片。但系统运行一段时间后，随着作业的进出释放，就会留下很多分区（且分区长度可变），要用两张表才能描述（已分配的表和空闲分区表）。分区存储管理的特点；优点：简单可靠

缺点：碎片多（虽然可以进行碎片整理，但CPU耗时多）

8第8页，课件共53页，创作于2023年2月（2）页式存储管理设计思想：为解决碎片问题，允许作业不连续存放，可以把主存空间等分为若干小块，同时把外存作业尺寸也等分为若干“页”，并让块和页尺寸相等（例如1K、4K、32K等），分得越小，碎片越少。请注意：内存＝Cache+主存

页式存储管理实现方案：——只要“不连续”，势必要用到数据结构中的“链表”和“索引”概念。可以用“页表”将作业的“页”与主存的“块”关联起来。9第9页，课件共53页，创作于2023年2月若某作业逻辑地址从0312H～2AF0H，则可以将高4位当作页号，低12位为页内地址（即页长为4KB），进入主存后的具体安排见下面的页表。问：作业中逻辑地址为1050H的单元对应主存的哪个物理地址？例：解：由表可知，作业的第1页（01H）对应主存中第11块（0BH），所以逻辑地址1050H对应物理地址B050H更普遍的公式：绝对地址＝块号×块长＋页内相对地址逻辑页号主存块号09111214（例如将高6位分为页号、低10位作为页内地址的的情况）10第10页，课件共53页，创作于2023年2月若将作业预先一次性全部装入主存，则称为静态页式管理页式存储管理还可分为两种方法：静态页式管理和虚拟页式管理。若允许部分页面先调入主存执行，然后根据需要再陆续调入其他页面，则称为虚拟页式管理，即内存外存统一管理。若主存空间不够大怎么办？那就不装！一定要保证作业总页数≤主存空闲块总数需要解决2个问题：怎知作业页在不在主存？不在主存时怎样处理？此时页表至少要增添两项属性！11第11页，课件共53页，创作于2023年2月讨论：①此表何时建立？——作业调入内存时就边调入边建立了。②程序页在不在主存，看缺页中断标志标志（0在1不在）；进入之后改标志为0；退出之后改为1；③不在主存时，发出缺页中断申请，找到主存一空闲块之后，赶紧从磁盘调入，接着改变标志；④万一主存没有空闲区怎么办？要淘汰一些页面，腾出空间调入新页。逻辑页号主存块号中断标志磁盘位置090（在主存中）a11110a22

1a33

1a4原例：12第12页，课件共53页，创作于2023年2月页面淘汰策略主要有3种：l

先进先出算法（FIFO）

——页号进入时生成队列，淘汰队首；l

最近最久未使用算法（LRU，LeastRecentlyUsed）

——近期未使用，记录上次引用后的驻留时间l

最近最少使用算法（LFU，LeastFrequentlyUsed）

——近期未访问，设置访问计数器可能出现的异常：刚淘汰的页面又被调入，频繁进出将产生“抖动”13第13页，课件共53页，创作于2023年2月（3）段式存储管理问题：若一段程序分在两页上怎么办？方案：将作业按逻辑内容长短分段调入，防止分在两页上。谁来分段？由程序员或编译系统来分段。具体实现：建立段表。14第14页，课件共53页，创作于2023年2月讨论：①若程序分成N段却无法一次放入内存怎么办？

——用段式虚拟存储方式分批调入，方法同页式。②若一段太大，内存无法提供连续空间怎么办？

——段页式存储管理，段内再分页，多建一个索引表到内存。存取内存中的一条指令至少要访问几次内存？——至少要访问三次内存。前提是指令的逻辑地址已知，即段号和页号已知。先根据控制寄存器访问段表，得到与该段对应的页表首址；访问页表，得到其页号对应的内存块号；以块号与页内地址拼接得到该指令的绝对物理地址。15第15页，课件共53页，创作于2023年2月3.4文件管理

讨论3个问题：为什么要对文件进行管理？文件管理的内容？怎样实现文件管理？

文件的定义：是逻辑上具有完整意义的信息集合。16第16页，课件共53页，创作于2023年2月1.

为什么要对文件进行管理？为了给用户提供“按名存储”功能。 操作系统会自动将文件名转换成存储器的物理位置，这种管理是一个信息管理机构，简称为OS中的文件管理或文件系统。（用DOS.SYS管理）

文件系统为用户提供了5大功能：文件组织存储空间管理目录管理文件操作及共享保护和保密17第17页，课件共53页，创作于2023年2月1.

实现文件从名字空间与外存地址空间的转换，便于识别和查找——称为文件组织2.

管理文件的存储空间，便于存放和删除——称为存储空间管理3.

建立文件目录，方便检索和保证安全——称为目录管理4.

实现对文件的控制操作和存取操作，如建立、删除、打开、关闭（内外存配合）——称为文件操作5.

联网时的资源共享可节省空间，但又要保密——称为共享、保护和保密2.文件管理的内容？18第18页，课件共53页，创作于2023年2月3.怎样实现文件管理？两大问题：（一）文件放在哪里？按什么格式存放？（二）用什么方法管理文件？（一）文件放在哪里？按什么格式存放？文件通常存放在存储介质上，如内存或外存，磁盘、光盘、磁带、磁鼓等等。请注意存储介质与存储设备的区别。例如光盘和光驱、磁盘和软驱不同，硬盘和硬盘驱动器合为一体。19第19页，课件共53页，创作于2023年2月讨论1：文件及存储介质的大小如何衡量？用存储容量衡量。除字节单位外，主要以块（32～4096）为单位交换信息。DOS及UNIX系统均以512字节（0.5KB）为一块。内存与外存的数据交换通常是按一块或数块进行的。讨论2：卷、柱面、磁道、簇、扇区（块）的关系？

卷>柱面>磁道>簇≥扇区（块）卷(volume)是指一盘磁带、一张软盘或一个硬盘；硬盘是多盘面，每个盘面叫一个柱面(clyinder)；每个盘面有很多磁道（同心圆,track）；每个磁道有若干簇（clust）或扇区（块,section）一个簇是一组连续的扇区，簇随文件系统不同而不同，不定长。簇号——是描述磁盘空间的一种单位，也是DOS为文件分配磁盘空间的最小单位。20第20页，课件共53页，创作于2023年2月例：请计算3寸双面高密度软盘的存储容量。解：3寸双面高密度软盘，每面分为80道；每道分为18块（扇区），每扇区为512字节（0.5KB）。则软盘容量＝2×80×18×0.5KB=1440KB＝1.44MB

讨论3：文件如何命名？每个文件一定要用一个名字作为标识；DOS命名规则：基本文件名.扩展名（8B＋3B）

Win95之后允许长文件名。答：它是由字符和数字组成的字符串。21第21页，课件共53页，创作于2023年2月前三种分类方法与存放方式有关随机存取指可以从文件中间读写记录（注意是记录而不是数据项）。分类目的：便于系统对不同的文件进行不同的管理，提高处理速度并实现保护和共享有6种分类方法：按逻辑结构分：记录式和流式按物理结构分：顺序、链接、索引按存取方式分：顺序存取和随机存取按用途或性质分：系统文件、库文件、用户文件按保存期限分：临时文件、档案文件、永久文件按保护级别分：执行文件、只读文件、读写文件、无保护文件讨论4：文件的分类（存放方式）？流式文件即字符流或字节流，如源程序或exe文件22第22页，课件共53页，创作于2023年2月（二）怎样管理或组织文件？

——用线性表和树结构！关键技术是：文件名如何对应物理地址？最简单的表如下：文件名记录个数第1个物理块号保护信息建立日期最近修改时间其他Test.c820R/W99-1-1599-3-1

空闲1028

Test.exe238执行99-3-2

…………………注：此处假设1个记录大小＝1块的长度（也可以设N个记录＝1块）23第23页，课件共53页，创作于2023年2月表中包含文件名和文件说明信息，称为一级目录结构或目录文件。其中每一行实际上是一个文件目录项，或称文件控制块（FCB）。一级目录的优点是实现了按名存取；缺点是不允许文件重名。改进方法：用二级或多级目录结构24第24页，课件共53页，创作于2023年2月主文件目录(MFD)文件名记录个数首物理块号Test.c820空闲1028Test.exe238文件名记录个数首物理块号Test.c

Liu.txt

yu.exe

用户目录名…物理地址wang…gao

…

wang用户文件目录(UFD)gao用户文件目录(UFD)二级文件目录结构！25第25页，课件共53页，创作于2023年2月3种物理结构（顺序、链接、索引）对应3种不同的方式l

顺序结构——连续相邻块存放，知道起始地址和文件长度（以块为单位）就能存取文件。优点是简单；缺点是增减信息比较费事。l

链接结构——离散块存放，每块附加一指针，指向下一块的首址。优点是增减信息比较简单；缺点是只适于顺序存取。l

索引结构——仍然是离散块，但另造一张逻辑块与物理块的对应（索引）表，文件目录表中多出一指针项，指向这个表首址（如果文件很大，物理块太多，则索引表也会很大，若超出一个物理块，则用链表方式继续添加，或再建索引表，叫做多重索引——UNIX系统使用）。它既保留了链式增减方便的优点，又能快速随机存取。缺点：先查表再存取，增加了存取时间。讨论1：怎样读取（查找）文件？26第26页，课件共53页，创作于2023年2月讨论2．怎样存放新文件？

——找空闲块！讨论3.怎样实现文件的删除？——恢复空闲块标志！讨论4.如何对空闲空间进行管理？————有3种办法，算法都很简单。①用位示图——将全部物理块的使用状态用0和1表示，0空1用，1bit足矣。例，若某张软盘有720个物理块，则状态位需要90个字节（90×8bit）。可假设：新存文件时就找“0”标志块存放，每存一块则改0为1；若删除一个文件，则由文件目录把对应物理块的标志位由1改0，释放完毕后再删除文件目录项。27第27页，课件共53页，创作于2023年2月②用空闲区表——只记录连续空闲块的首块及个数，有点像“压缩编码”。刘自己设想：新存文件时找空闲区表按块存放，存完后要删减空闲区表；零头块要照样保留；若删除一个文件，则由文件目录把对应物理块找出来，然后添加到空闲区表中。若与其他空块连成一片，则要合并成为一项。③用空闲块链——将所有空闲块组成链表，末块以NULL结尾。刘自己设想：新存文件时从链头开始存放，头指针依次后移；若删除一个文件，则由文件目录把对应物理块找出来，然后添加到空闲块链尾。28第28页，课件共53页，创作于2023年2月讨论5.怎样实现文件的共享、保护和保密？三种含义各不相同——但都涉及“权限”l

文件共享——允许不同的用户或进程共同使用一个文件；可以允许多人同时读，但不允许多人同时写，要确保信息完整性。(简单共享以根目录为绝对路径；若允许不同用户别名存取，则实现共享需二级目录)l

文件保护——防止因误操作而对文件可能造成的破坏。为防止系统故障，可用存为副本和定时保存的办法；为防止共享用户修改的办法：限制读写权限l

文件保密——不允许未经授权的用户对文件进行访问。防窃取！保密措施有3种：隐蔽文件目录、设置口令、使用密码加密（修改和恢复源文件）。29第29页，课件共53页，创作于2023年2月3.5设备管理讨论3个问题：为什么要对设备进行管理？从哪些方面进行设备管理？怎样实现设备管理？

30第30页，课件共53页，创作于2023年2月设备的定义：是信息的输入输出机构，是进程与外界通信的途径。从物理上可分为2类：存储型设备和输入输出设备。前者的传输单位是“块”，后者的传输单位是“字符”。所以又可称为块设备和字符设备。从使用角度上可分为3类：独占设备（如打印机、磁带机等）、共享设备（磁盘驱动器）和虚拟设备（用大容量磁盘模拟独占设备）。31第31页，课件共53页，创作于2023年2月1.为什么要对设备进行管理？设备管理的目的有二：一是提高设备利用率（消除各设备忙闲不匀的现象）；二是方便用户的使用（例如对外设自动启动）（实现方便性、并行性、均衡性、独立性）

32第32页，课件共53页，创作于2023年2月2.从哪些方面进行设备管理？从4方面管理：①实现对外设的分配和回收——怎样配合进程占用和释放？②实现对外设的启动——最好不要由用户直接启动外设；既节省用户动作，又保证了系统可靠性③处理外设中断事件——怎样实现平时由通道独立管理外设，关键时刻由CPU出面发令？④实现虚拟设备——怎样提高独占设备（如打印机）的利用率？——用虚拟设备可实现设备的独立性 重点介绍①和④33第33页，课件共53页，创作于2023年2月3.怎样实现设备管理？中断技术、通道技术和缓冲技术①中断技术———外部事件随机提出服务申请，CPU及时响应并服务，完毕后CPU继续执行以前动作。 但在设备管理中，是由进程随机提出需要I/O的申请，然后挂起（等待），交由CPU中的进程调度来处理，在中断服务子程序中完成I/O操作，服务完毕后，再唤醒等待中的进程。一、简介设备管理三大关键技术：34第34页，课件共53页，创作于2023年2月②通道技术——即I/O处理机（可理解为一种微控制器），可独立完成主存与外设之间传送信息的I/O操作。是程序直接传送、中断方式、DMA方式等3种I/O传送方式之后的第4种（高级计算机的多道环境才用）。可以理解为：通道是CPU的助手，可以在内存与外设间交换数据而不轻易惊动CPU。一旦要惊动，用I/O中断方式。CPU仅负责查询和启/停，当CPU要启动某个外设工作时，只要发一条I/O指令给通道，告诉通道要执行的I/O操作和要访问的设备，通道便向主存索取通道程序，完成I/O控制管理。35第35页，课件共53页，创作于2023年2月在大中型机器中，主机与外设打交道实际上是三层：CPU—通道—控制器—外设（通道和控制器≤外设数）分析：声卡、显卡、网卡、多功能卡（并口、串口）、MODEM卡等等，是不是通道和控制器连为一体的硬件装置？主存Memory通道外设控制器1～n外部设备36第36页，课件共53页，创作于2023年2月③缓冲技术——为了解决高速CPU与低速外设传送速度严重不匹配的矛盾。若想“解放”CPU，就会自然想到在内存中设立数据缓冲区，专门用于I/O传送过程中的临时数据存放。无论是输入还是输出，都利用此缓冲区来当“二传”，解除CPU一直“陪同”的困扰。例如打印机的I/O数据缓冲区，还有键盘缓冲区。37第37页，课件共53页，创作于2023年2月设置内存缓冲区有这么几种方式：

①若I/O不频繁时，可以只设立单缓冲区，每一时刻只为输入或输出单向服务；②若希望同时I/O，应设立双缓冲区，能提供同时I/O；③若I/O量特别大，还可采用多缓冲技术。④若设备较少，可以为每个外设开辟一个专用缓冲区；⑤若设备较多，为避免内存开销过大，可以将若干个相同的缓冲区组成缓冲池，统一管理，变专用为通用，这叫缓冲池技术。38第38页，课件共53页，创作于2023年2月设立缓冲池的优点？ 设立公共缓冲池后，当某一进程需要使用缓冲区时，先提出申请，由设备管理程序分配给它，待进程用完后，释放缓冲区，又可供给别人用。 显然，使用缓冲池技术后，用少量的缓冲区就能为更多的进程服务（随时释放），不过这需要一个缓冲区管理软件的支持。39第39页，课件共53页，创作于2023年2月二、简介设备分配策略把什么东西分配给谁？把设备、控制器和通道分配给（请求设备的）进程①独占设备如何分配？——常采用静态

分配策略。只能让一个作业独占使用的设备称为

独占设备，例如打印机、键盘、鼠标、扫描仪等终端。独占设备意即在某作业执行前就分配设备给它，直到作业结束后才回收设备。40第40页，课件共53页，创作于2023年2月问：作业在申请独占设备时，系统怎样指定一个设备给它？答：有两种方式。一是指定设备的绝对号（计算机系统为每一台设备确定一个编号，以便区分和识别）；二是指定设备的设备类和相对号（指用户在程序中定义的设备编号，要哪一类设备？要多少台？）申请设备时常用第二种，因为适应性好，灵活性强。独占设备的缺点：设备利用率低，因为作业不可能始终都使用该设备。比较合理的改进是，把设备的分配推迟到进程真正使用该设备时才进行，一旦停止使用便立即收回，而不管整个作业是否运行结束，即“晚占早放”，把独占设备变为共享设备。41第41页，课件共53页，创作于2023年2月②共享设备如何分配?可以让几个作业同时使用的设备称为

共享设备（例如磁盘驱动器）。它允许多个作业交替使用该设备，虽然每一瞬间仍然只有一个作业占用，但宏观上看起来是共享。思考：怎样保证作业都能占用独占设备但又互不冲突，当一个作业用完另一个马上接着用？答：借助虚拟设备来实现。—用互斥性和等待队列实现42第42页，课件共53页，创作于2023年2月③虚拟设备是什么？

用高速共享设备（如磁盘）来模拟独占设备称为

虚拟设备

。采用虚拟设备的优点：存取速度比物理设备高得多，所以能提高作业的运行速度。例如：以前一批作业在运行时要不断打印，只能一个作业独占打印机，打印完毕后才能让给下一个作业；现在可以先把全部作业的打印内容先陆续送入（预输入）硬盘，分别形成打印文件队列，再由缓输出程序送到真正的外设上。实现虚拟设备的前提——有大容量磁盘、CPU与通道能并行工作、且操作系统能采用多道技术。43第43页，课件共53页，创作于2023年2月三、简介虚拟设备的实现技术虚拟设备的实现技术——SPOOLing假脱机系统（又称联机外围操作）。SPOOL系统由两部分组成：输入SPOOLing和输出SPOOLing。输入SPOOLing：把用户作业先传送到输入井中保存为文件，当进程需要输入信息时再从输入井中读入内存（虚拟输入机）；输出SPOOLing：先将要输出的信息保存到输出井中，然后再把输出井中的作业结果打印输出（虚拟打印机）。井——为实现虚拟设备在磁盘上划出的专用存储空间44第44页，课件共53页，创作于2023年2月外存主机附：SPOOLING图示

输入设备通道输入井输出井通道输出设备输入管理模块输出管理模块45第45页，课件共53页，创作于2023年2月虚拟设备讨论：l

为什么要设计虚拟设备方式？——因为静态独占设备效率太低；l

怎样克服独占设备的缺点？——用共享磁盘、多道工作＋预操作，来模拟输入机和打印机的工作。l

实现虚拟设备的条件？——大容量磁盘、有中断装置和通道、CPU与通道能并行工作、操作系统也得采用多道技术。l

采用虚拟设备技术的优点：提高了独占设备的利用率，缓和了高速CPU和低速外设的不均匀不匹配性，提高了外设与CPU的并行程度。缺点：要占用大量外存空间（例如虚拟光驱至少需要C盘留20%空间），加重了主机与外存的信息传送负担。46第46页，课件共53页，创作于2023年2月四、简介设备分配涉及的数据结构和算法①有关的数据结构：1.

系统所拥有的全部I/O设备名称类型要登记———应当建立一个系统设备表；2.

每台设备要有一组描述动态特征的数据（例如现在是否忙，是否在等待）——也应当建立一张表，称作设备控制块DCB。请注意PCB、JCB和DCB都是动态的！3.

所有的DCB要集中管理，以便随时查询各设备情况—应当建立设备控制表；4.

各个控制器的状态——要建立控制器表；5.

各个通道的状态——要建立通道表；47第47页，课件共53页，创作于2023年2月②

设备管理常用的算法有：1.

先请求先服务，设备分配给最先请求的进程或作业2.

优先数法，将设备分配给优先级高的进程，急用先分配注意事项：严防死锁

实例：